2490

Изучение физического маятника

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: Исследование законов колебательного движения физического маятника и определение ускорения свободного падения.

Русский

2013-01-06

99.16 KB

25 чел.

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет имени Ф.Скорины»

Отчет по лабораторной работе

Изучение физического маятника

Выполнили:

студенты группы Ф–14

Кукобникова В.В.,

Лобан А.А.


Цель работы: Исследование законов колебательного движения физического маятника и определение ускорения свободного падения.

Приборы и принадлежности: установка FPM-04, линейка.

Краткие теоретические сведения

Физическим маятником (ФМ) называется твёрдое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания вокруг неподвижной горизонтальной оси. Точка О пересечения этой оси с вертикальной плоскостью, проходящей через центр масс маятника, называется точкой подвеса.

Согласно основному уравнению динамики вращательного движения, в отсутствии сил сопротивления, уравнение движения ФМ имеет вид:

 (1)

где I - момент инерции маятника относительно оси качания, - угловое ускорение маятника, m - масса маятника, l - расстояние от точки подвеса до центра масс маятника.

Ограничиваясь, случаем малых углов () из (1) имеем:

 (2)

где введено обозначение

Нетрудно убедится, что решением записанного дифференциального уравнения (2) является функция:

т.е. угол  отклонения ФМ от вертикали изменяется по гармоническому закону. Следовательно, период колебаний ФМ равен:

 (3)

Как известно, период математического маятника:

 (4)

Сравнивая (3) и (4) находим, что ФМ колеблется с тем же периодом, что и математический, имеющий длину:

 (5)

Длина математического маятника , имеющего тот же период колебаний, что и данный ФМ, называется приведённой длиной физического маятника.

Точка , лежащая на прямой, соединяющей точку подвеса и центр тяжести с ФМ, на расстоянии от точки подвеса, называется центром качаний ФМ.

Точка подвеса О и центр качаний ФМ принято называть взаимными точками ФМ, так как они обладают следующим свойством: если перенести точку подвеса маятника в центр качаний, то прежняя точка подвеса станет центром качаний, причём период колебаний ФМ при этом не изменяется.

Экспериментальная проверка формул (4) и (5) составляет одну из задач данной работы.

Получим формулы (4) и (5) для ФМ, выполненного в виде тонкого однородного стержня массой m и длины l. Момент инерции тонкого стержня относительно оси, проходящей через центр масс С перпендикулярно плоскости рисунка, равен . По теореме Штейнера находим, что момент инерции стержня относительно оси качаний:

 (6)

Подставим (6) в (4) и (5), приходим к соотношению:

 (7)

 (8)

 (9)

 (10)

Соотношение удобно для анализа и экспериментальной проверки. В частности, из анализа на экстремум функции (7) следует, что при:

 (11)

Период Т физического маятника является минимальным.


Выполнение работы

Упражнение 1

Проверка формулы периода колебаний и определение приведённой длины физического маятника.

  1.  Определяем время t 10- 15 полных колебаний стержня. Результаты измерений заносим в таблицу 1 и определяем .

Таблица 1

N

t, (с)

T, (с)

h, (м)

l, (м)

Lпр, (м)

1

10

12,11

-

0,6

0,24

0,365

2

10

12,22

3

10

12,16

4

10

12,18

5

10

12,91

Ср. знач.

10

12,12

1,21

-

-

-

t = (12,12±0.0016) c.

  1.  По формуле , где N- число полных колебаний стержня, рассчитываем период колебаний ФМ.

с.

  1.  Измеряем длину стержня h и расстояние l от точки подвеса до центра тяжести, проверяем справедливость формулы (8).

; .

  1.  Пользуясь формулой (10) рассчитываем приведённую длину ФМ.

  1.  Повернув верхний кронштейн установки на и установив длину математического маятника определяем период колебаний математического маятника. Результаты измерений заносим в таблицу 2.

Таблица2

N

t, ( с)

Tмат, (с)

1

10

11,26

1,15

2

10

11,61

3

10

11,56

4

10

11,91

5

10

11,48

Ср. знач.

-

11,56

-

  1.  Сравниваем периоды колебаний физического и математического маятников.

Периоды колебаний физического и математического маятника, длина которого является приведенной длиной данного физического маятника, равны.


Упражнение 2

Исследование формулы периода колебаний ФМ.

  1.  Последовательно увеличивая расстояние L на 10 мм, измеряем время t 10-15 полных колебаний. Результаты заносим в таблицу 3.

Таблица 3

N

t1

t2

t3

Ср.знач. t

l, (м)

T, (c)

1

10

26,18

26,74

26,38

26,43

0,01

2,643

2

10

21,29

21,22

21,19

21,23

0,02

2,123

3

10

18,01

18,11

18,34

18,15

0,03

1,815

4

10

16,50

16,26

16,24

16,33

0,04

1,633

5

10

15,00

15,12

15,01

15,04

0,05

1,504

6

10

14,06

13,87

14,02

13,98

0,06

1,398

7

10

13,57

13,61

13,50

13,56

0,07

1,356

8

10

12,87

12,53

12,71

12,70

0,08

1,270

9

10

12,64

12,35

12,24

12,41

0,09

1,241

10

10

12,20

12,24

12,11

12,18

0,10

1,218

11

10

11,79

11,89

11,81

11,83

0,11

1,183

12

10

11,70

11,73

11,90

11,78

0,12

1,178

13

10

11,64

11,55

11,50

11,56

0,13

1,156

14

10

11,50

11,37

11,46

11,44

0,14

1,144

15

10

11,48

11,29

11,34

11,37

0,15

1,137

16

10

11,40

11,38

11,21

11,33

0,16

1,133

17

10

11,43

11,53

11,23

11,40

0,17

1,140

18

10

11,30

11,71

11,24

11,42

0,18

1,142

  1.  По результатам таблицы 2 строим график зависимости T.

l, см

Поведение графика объясняется на основании формулы .

  1.  По данным таблицы 2 строим график зависимости от и убеждаемся, что она является линейной.

, м

Вывод: исследовав законы колебательного движения физического маятника, определили, что время колебаний уменьшалось до определенного этапа, после чего оно опять стало увеличиваться; выяснили, что периоды колебаний физического и математического маятника, длина которого является приведенной длиной данного физического маятника, равны; период физического маятника не зависит от свойств вещества, из которого изготовлен ФМ, его массы, плотности, а определяется лишь расстоянием от точки подвеса до центра тяжести тела.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

18496. Резерви зі страхування життя 62.5 KB
  Тема 4. Резерви зі страхування життя І. Поняття резервів зі страхування життя та їх склад 2. Законодавчі вимоги до резервів зі страхування життя. 3. Принципи розрахунку резервів довгострокових зобов`язань. 4. Резерви належних виплат страхових сум. І. Поняття ре
18497. ІНВЕСТИЦІЙНІ ОПЕРАЦІЇ В СТРАХОВИХ КОМПАНІЯХ 122 KB
  ТЕМА 8. ІНВЕСТИЦІЙНІ ОПЕРАЦІЇ В СТРАХОВИХ КОМПАНІЯХ План 1.Джерела інвестиційних операцій. 2.Напрями інвестування галузей економіки за рахунок коштів страхових резервів. 3.Інвестиційна діяльність та формування портфеля інвестицій страховика 4.Доходи від інв
18498. ОПОДАТКУВАННЯ СТРАХОВИХ КОМПАНІЙ 449.5 KB
  ТЕМА 10 ОПОДАТКУВАННЯ СТРАХОВИХ КОМПАНІЙ План 1.Види податків які сплачують страхові компанії. 2.Характеристика ділової системи оподаткування страхових компаній. 3.Податок з прибутку страхових компаній. 4. Інші податки і порядок їх сплати страховими компанія...
18499. ФІНАНСОВА НАДІЙНІСТЬ СТРАХОВОЇ КОМПАНІЇ І СПОСОБИ ЇЇ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ 97.5 KB
  ТЕМА 11 ФІНАНСОВА НАДІЙНІСТЬ СТРАХОВОЇ КОМПАНІЇ І СПОСОБИ ЇЇ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ План 1.Поняття про фінансову надійність страхової компанії. 2.Досягнення фінансової надійності страхової компанії. 3.Перестрахувальні операції як фактор фінансової надійності. 4.Кон
18500. ПЛАТОСПРОМОЖНІСТЬ СТРАХОВОЇ КОМПАНІЇ І СПОСОБИ ЇЇ ВИЗНАЧЕННЯ 939.5 KB
  ТЕМА 12. ПЛАТОСПРОМОЖНІСТЬ СТРАХОВОЇ КОМПАНІЇ І СПОСОБИ ЇЇ ВИЗНАЧЕННЯ План 1.Поняття про платоспроможність страхової компанії. 2.Показники платоспроможності страхових компаній з ризикового страхування та зі страхування життя. 3.Показники платоспроможност
18501. Предмет, мета і види економічного аналізу 164.5 KB
  Тема 1. Предмет мета і види економічного аналізу Аналіз як абстрактнологічний метод пізнання. Сфера економічного аналізу. Роль економічного аналізу в управлінні діяльністю субєкта господарювання. Мета зміст та завдання економічного аналізу. Предмет економічног...
18502. Метод економічного аналізу та його основні прийоми 437.5 KB
  Тема 2. Метод економічного аналізу та його основні прийоми Метод економічного аналізу його складові. Методологія методика. Основні категорії економічного аналізу. Характеристика основних принципів економічного аналізу. Класифікація і характеристика п...
18503. Інформаційне забезпечення та організація економічного аналізу 160.5 KB
  Тема 3 Інформаційне забезпечення та організація економічного аналізу Поняття та принципи інформаційного забезпечення економічного аналізу. Класифікація і характеристика найважливіших груп інформації. Вимоги економічного аналізу до використовуваної ним ...
18504. Аналіз виробництва та реалізації продукції 149 KB
  Тема 4. Аналіз виробництва та реалізації продукції Значення завдання джерела даних та система показників аналізу. Аналіз ринку продукції підприємства. Аналіз обсягу випуску продукції. Аналіз випуску продукції за структурою і асортиментом. Аналіз по...